【零基础玩转BLDC系列】无刷直流电机闭环控制与软件架构

无刷直流电动机基本转动原理等内容请参考《基于霍尔传感器的无刷直流电机控制原理》、《基于反电动势过零检测法的无刷直流电机控制原理》、《以GD32F30x为例定时器相关功能详解》与《无刷直流电机无位置传感器三段式启动法详细介绍及代码分享》，BLDC基本原理及基础知识本篇不再赘述。

1.PID控制原理

将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。

typedef struct
{
    //误差项最近两个值 0新值 1旧值 
    float error[2];  

    //PID 三个基本参数
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;

    float Pout;		//比例项输出
    float Iout;		//积分项输出
    float Dout;		//微分项输出
    
    float out;		//三项叠加输出

    float max_out;  //PID最大输出
    float min_out;  //PID最小输出

} pid_type_def;

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。“微分项”能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调解过程中的动态特性。

float PID_calc(pid_type_def *pid, float ref, float fb)
{

    //计算最新的误差值
    pid->error[0] = ref - fb;

    //比例项计算输出
    pid->Pout = pid->Kp * pid->error[0];
    
    //积分项计算输出
    pid->Iout += pid->Ki * pid->error[0];

    //微分项输出
    pid->Dout = pid->Kd * ( pid->error[0] - pid->error[1] );

    pid->Iout=( pid->Iout < pid->min_out ) ? pid->min_out : pid->Iout ;
    
    pid->Iout=( pid->Iout > pid->max_out ) ? pid->max_out : pid->Iout ;
    
    //叠加三个输出到总输出
    pid->out = pid->Pout + pid->Iout + pid->Dout;

    pid->out=( pid->out < pid->min_out ) ? pid->min_out : pid->out ;
    
    pid->out=( pid->out > pid->max_out ) ? pid->max_out : pid->out ;
    
    pid->error[1] = pid->error[0];

    return pid->out;
}

2.转速控制

对BLDC进行转速控制是最常用的控制方式，转速闭环控制以电机实际转速为反馈量，与给定转速值进行比较，计算两者偏差，并对偏差值进行PID控制，从而逐渐消除此偏差，使电机转速达到给定值。

通过转子位置传感器获取当前的电机转速𝑣feedback和转子位置信号（Rotor positionsignal）；计算给定转速𝑣reference和实际转速𝑣feedback的差值𝑣error，送入转速PID控制器中进行计算，动态调整PWM占空比，输出相应的PWM驱动信号到驱动电路；根据当前转子位置信号，确定换相步序和绕组导通顺序，控制驱动电路的通断情况；重复以上过程，逐渐消除转速误差，直到电机转速达到给定值。

3.电流控制

由于BLDC的扭矩与电流有效值成比例关系，对BLDC进行电流控制，可实现对BLDC的线性扭矩控制。将采集到的BLDC电机的母线电流作为反馈量，与给定电流控制量进行比较，再将两者误差带入PID控制器，从而逐渐消除电流误差。

通过转子位置传感器获取转子位置信号（Rotor position signal），通过ADC模块获取电机的母线电流𝑖feedback；计算给定电流𝑖reference和实际𝑖feedback的差值𝑖error，送入电流PID控制器中进行计算，动态调整PWM占空比，输出相应的PWM驱动信号到驱动电路；根据当前转子位置信号，确定换相步序和绕组导通顺序，控制驱动电路的通断情况；重复以上过程，直到电机的母线电流达到给定值。

4.软件架构

整个软件层分为应用层、算法层和驱动层。

应用层包括main 主函数模块，ISR 中断处理函数模块、时基Systick 模块和BLDC 应用接口模块；算法层包括BLDC Algorithm 模块和PID control 模块；驱动层（Driver layer）：包括GD32Fxx_Standard_peripheral library（GD 芯片固件库），hardware（硬件驱动配置）模块，utils（工具软件）模块，led/digital_led（LED 和数码管）模块，key/usart/flash（按键/串口/数据存储）等模块。